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Forschungsbereich Komponenten

Die Forschungsgruppe „Komponenten“ beschäftigt sich mit Themen rund um die Betriebsmittel in der elektrischen Energieversorgung. Traditionsgemäß spielt dabei am IEH der Leistungstransformator eine große Rolle. Hier geht es vor allem um die Themen Lebensdauer, Alterung und Wirkungsgrad. Die Kabeldiagnostik ist seit Jahren ein weiterer Schwerpunkt innerhalb der klassischen Betriebsmitteldiagnostik. Die Kabeldiagnostik bekommt aufgrund der steigenden Kabellängen im Hoch- und Höchstspannungsbereich und der angestrebten sowie verbauten Kabellängen eine hohe Bedeutung zu. Aufgrund dessen wird am IEH an einem innovativen Diagnoseverfahren geforscht, welches Fehler und Veränderungen lokal aufzeigen kann. Die Integration erneuerbarer Energien und die Elektromobilität haben dafür gesorgt, dass sich die Bandbreite der verschiedenen Komponenten stark erhöht hat. So finden seit einigen Jahren auch Batteriespeicher, Elektrotankstellen und Leistungsschalter für hohe Gleichströme Berücksichtigung. Unter den Batteriespeichern nimmt die Vanadium-Redox-Flow-Batterie eine Sonderstellung ein, da sie außergewöhnlich gut für den Aufbau von großen Batteriesystemen im Energienetz geeignet ist. Aber auch die sehr viel weiter entwickelte Lithium-Batterie, zum Einsatz in Haushalten mit PV-Anlagen und als Quartierspeicher, wird hierbei erforscht. Im Bereich der Elektromobilität liegt der Schwerpunkt bei der induktiven Übertragung von elektrischer Energie zwischen dem Fahrzeug und der Versorgungsquelle. Durch das induktive Laden entfällt die Steckverbindung mit Kabel und Stecker, wodurch u.a. eine höhere Akzeptanz zur Elektromobilität zu erwarten ist. Durch die großen Entwicklungssprünge in der Leistungselektronik wird der Einsatz von Gleichspannung in der elektrischen Energieversorgung immer interessanter. Der Aufbau von vermaschten Strukturen mit hohen Gleichspannungen wird jedoch noch behindert durch die schlechten Schalteigenschaften des Gleichstroms. Dem wird am IEH mit einem neuen Schalterkonzept begegnet. Neben der klassischen Aufteilung der Themen in Simulation und experimentelle Untersuchungen an Demonstratoren und Versuchsständen findet auch die innovative Hardware-in-the-Loop Technik als Brücke zwischen Simulation und Experiment Anwendung.

 

 

Forschungsschwerpunkte im Bereich Verteilnetze
Induktive Batterieladesysteme für Elektrofahrzeuge
Messung und Modellierung der magnetischen Eigenschaften von Elektroblech
HVDC-Leistungsschalter mit leistungselektronischen Komponenten
Modellierung und Optimierung von Vanadium-Redox-Flow Batteriesystemen
Bewertung und Weiterentwicklung der Line Resonance Analysis (LIRA)

 

 

Induktive Batterieladesysteme für Elektrofahrzeuge

 

Liegt der Fokus auf Plug-In Hybriden und Elektrofahrzeugen geht das Gespenst der zu geringen Reichweiten und mühsamen Aufladung umher. Das induktive Laden soll dem Trend zum Elektrofahrzeug ein neues Gesicht geben.
Die Grundidee dabei ist nicht neu: In industriellen Transportsystemen existiert das Konzept der induktiven Energieübertragung schon seit langem. Für das Laden von Elektrofahrzeugen ist es eine benutzerfreundliche Lösung: Das Kabel entfällt und damit auch der Umstand dieses bei Regen oder Kälte mit der Ladestation verbinden zu müssen. Der Prozess ist sicherer, robuster und beständiger gegen äußere Einflüsse. Einfach einparken und laden. Die Idee: Eine im Boden verlegte Spule überträgt drahtlos die Ladeenergie in die Batterie des Fahrzeugs. Unter optimalen Bedingungen gehen dabei nur geringe Mengen Energie verloren, die Kosten für ein solches System sind allerdings noch sehr hoch.
Aktuell werden Leistungen von 3,3 - 7,2 kW diskutiert. Am IEH wird ein Versuchsstand aufgebaut, der Ladeleistungen von 44 kW erlaubt, bei Übertragungsfrequenzen von bis zu 400 kHz. Die entwickelten Verlust- und Berechnungsmodelle sollen mittels einer Messung verifiziert werden. Verschiedene Spulensysteme werden realisiert und abschließend bewertet.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Benjamin Klaus

 

Die Dauer, die Sicherheit und der Komfort des Ladevorgangs von Elektrofahrzeugen beeinflussen deren Verbreitung im öffentlichen und privaten Gebrauch. Durch induktive Energieübertragung kann das Anschließen des Ladekabels entfallen, der Ladevorgang startet ohne weitere Interaktion mit dem Fahrer und ist unabhängig von der Witterung. Die notwendige Übertragungsleistung über den Luftspalt zwischen Fahrbahnoberfläche und Fahrzeugboden bei gleichzeitiger Minimierung des Platzbedarfs und des Gewichts der Empfängereinheit im Fahrzeug erfordert eine detaillierte Auslegung und Abstimmung der einzelnen Systembestandteile. Nur bei resonanter Kopplung der beiden Spulensysteme ist eine verlustarme Energieübertragung möglich. Allerdings ist für die flächendeckende Verbreitung die Interoperabilität der Fahrzeuge und Ladestationen verschiedener Hersteller notwendig. Die Untersuchung des Ladevorgangs bei nicht aufeinander abgestimmten Systemen ermöglicht die Anpassung des Systemaufbaus, die Entwicklung einer flexiblen Regelung der enthaltenen Leistungselektronik und die Evaluierung schnurloser, störungsunempfindlicher Kommunikationstechnologien zwischen Fahrzeug und Ladestation.

Ansprechpartner: Daniel Barth, M.Sc.

 

 

Messung und Modellierung der magnetischen Eigenschaften von Elektroblech

 

Transformatoren spielen in der elektrischen Energieübertragung eine sehr wichtige Rolle. Denn sie ermöglichen den Transfer elektrischer Energie auf Hoch- und Höchstspannungsniveau über weite Distanzen mit geringen Verlusten. Der Wirkungsgrad von Leistungstransformatoren wird Hysteresekurve zu einem Teil durch die magnetischen Eigenschaften des Kerns bestimmt. Der Kern selbst besteht aus geschichtetem Elektroblech. Die Charakteristika des Kerns hängen somit von den magnetischen Eigenschaften des Elektroblechs ab. Diese Eigenschaften sind durch die Hysteresekurve, d.h. den Zusammenhang zwischen magnetischer Feldstärke H und der magnetischen Flussdichte B, vollständig bestimmt.
Es sollen Messsysteme zur Untersuchung der magnetischen Charakteristika in Abhängigkeit von der Schneidmethode, unterschiedlichen Drücken auf das Blech und verschiedene Schichtungsarten entwickelt werden. Desweiteren soll anhand von FEM-Modellierung und Simulation von Leistungstransformatoren (siehe Bild unten) gezielt der Einfluss des verwendeten Elektroblechs auf die Kernverluste untersucht werden.

Ansprechpartner:

 

 

HVDC-Leistungsschalter mit leistungselektronischen Komponenten

 

Während für die Unterbrechung von Wechselströmen wegen ihres Stromnulldurchgangs inzwischen technisch ausgereifte Lösungen existieren, ist das Gleichstromschalten in der Hochspannungstechnik bis heute eine Herausforderung geblieben. Zudem können die Induktivitäten von Leitungen und in Serie befindlicher Drosseln zu hohen Schaltspannungen führen. Damit wird klar, dass der Schalter neben hohen Gleichströmen auch transienten Spannungen außerhalb betriebsüblicher Bereiche standhalten und darüber hinaus die gespeicherte Feldenergie der Induktivitäten kontrolliert abbauen muss. Nicht zuletzt gilt es die technischen Möglichkeiten gegenüber ökonomischen Interessen abzuwägen.

Ansprechpartner: René Sander, M.Sc.

 

 

Modellierung und Optimierung von Vanadium-Redox-Flow Batteriesystemen

 

Vanadium Redox Flow Batterien (VRFB) vereinen Elemente aus Brennstoffzellen und Batterien. Elektrischer Strom wird in sogenannten Stacks in elektrochemische Energie umgewandelt und im sogenannten Elektrolyten gespeichert. Als Elektrolyt fungieren hier in verdünnter Schwefelsäure gelöste Vanadium-Salze. Die Stacks definieren die Lade- und Entladeleistung, wohingegen die Speicherkapazität durch die Menge an in Tanks gelagertem Elektrolyt bestimmt wird. Beide Größen sind damit völlig unabhängig voneinander skalierbar. Das macht diese Batterie für die großtechnische Anwendung im Netz besonders interessant. Insbesondere für Leistungen im Megawatt-Bereich und Speicherdauern von mehreren Stunden verspricht die Technologie in Zukunft Kostenvorteile. Am IEH wird an der Modellierung, dem Aufbau und der Optimierung der VRFB geforscht. So wird z.B. untersucht, ob es eine optimale Zellgröße gibt und mit welchem Elektrolyt-Volumenstrom die Stacks idealerweise versorgt werden müssen. Das Forschungsgebiet umfasst daher auch Elemente des Maschinenbaus und der Chemie. Es bestehen Kooperationen mit mehreren Herstellern, um die am Computer gewonnenen Erkenntnisse in der Realität anzuwenden und zu überprüfen.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Sebastian König

 

 

Bewertung und Weiterentwicklung der Line Resonance Analysis (LIRA)

 

Die Line-Resonance-Analysis (LIRA) verbindet die Fehlerortung sowie die örtliche Lokalisierung von Veränderungen in einem Kabel. Die LIRA verwendet hierbei für beide Auswertungen die gleichen Messdaten, wodurch unterschiedliche Messaufbauten nicht benötigt werden. Bei der klassischen Fehlerortung von Kabelbrüchen, Beschädigungen durch Bauarbeiten, usw. kommt bisher die Time-Domain-Reflectometry (TDR) zum Einsatz. Hierbei kann der Fehlerort genau bestimmt werden. Mittels der TDR können aber langsame Veränderungen in der Isolierung nur sehr schwer erfasst werden, wodurch eine Aussage nur über eine integrale Verlustmessung (Tan-Delta-Messung) getroffen werden kann. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse lassen aber nur eine Bewertung der gesamten gemessenen Kabelstrecke zu. Also es kann keine lokale Aussage über eine Veränderung getroffen werden. Aufgrund dessen soll eine mögliche Diagnoseform, wie die LIRA, untersucht werden. Die LIRA stellt keine neue Diagnosemethode dar, da diese bereits verwendet wird. Aufgrund von unzureichenden Untersuchungen, Veröffentlichungen und bisherigen Messerfolgen soll das bisherige LIRA Messverfahren untersucht und verbessert werden.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Tobias Maier